Forskere har udviklet en platform til at samle materialekomponenter i nanostørrelse eller "nano-objekter" af meget forskellige typer - uorganiske eller organiske - til ønskede 3D-strukturer. Selvom selvmontering (SA) med succes er blevet brugt til at organisere nanomaterialer af flere slags, har processen været ekstremt systemspecifik og genereret forskellige strukturer baseret på materialernes iboende egenskaber. Som rapporteret i et papir offentliggjort i dag i Nature Materials, kan deres nye DNA-programmerbare nanofabrikationsplatform anvendes til at organisere en række 3-D materialer på de samme foreskrevne måder på nanoskalaen (milliardtedele af en meter), hvor unikke optiske, kemiske , og andre egenskaber dukker op.
"En af hovedårsagerne til, at SA ikke er den foretrukne teknik til praktiske anvendelser, er, at den samme SA-proces ikke kan anvendes på tværs af en bred vifte af materialer til at skabe identiske 3-D-ordnede arrays fra forskellige nanokomponenter," forklarede den tilsvarende forfatter Oleg Gang , leder af Soft and Bio Nanomaterials Group ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory - og en professor i kemiteknik og i anvendt fysik og materialevidenskab ved Columbia Engineering. "Her afkoblede vi SA-processen fra materialeegenskaber ved at designe stive polyhedriske DNA-rammer, der kan indkapsle forskellige uorganiske eller organiske nanoobjekter, herunder metaller, halvledere og endda proteiner og enzymer."
Forskerne konstruerede syntetiske DNA-rammer i form af en terning, oktaeder og tetraeder. Inde i rammerne er der DNA-"arme", som kun nanoobjekter med den komplementære DNA-sekvens kan binde sig til. Disse materiale voxels - integrationen af DNA-rammen og nano-objektet - er byggestenene, hvorfra makroskala 3-D strukturer kan laves. Rammerne forbindes med hinanden, uanset hvilken slags nanoobjekt der er inde i (eller ej) i henhold til de komplementære sekvenser, de er kodet med ved deres hjørner. Afhængigt af deres form har rammer et forskelligt antal hjørner og danner således helt forskellige strukturer. Alle nanoobjekter, der er hostet inde i rammerne, antager den specifikke rammestruktur.
For at demonstrere deres samlingstilgang valgte forskerne metalliske (guld) og halvledende (cadmiumselenid) nanopartikler og et bakterieprotein (streptavidin) som de uorganiske og organiske nanoobjekter, der skulle placeres inde i DNA-rammerne. For det første bekræftede de integriteten af DNA-rammerne og dannelsen af materialevoxel ved billeddannelse med elektronmikroskoper på CFN Electron Microscopy Facility og Van Andel Institute, som har en række instrumenter, der fungerer ved kryogene temperaturer til biologiske prøver. De undersøgte derefter 3-D-gitterstrukturerne ved Coherent Hard X-ray Scattering og Complex Materials Scattering beamlines af National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en anden DOE Office of Science User Facility på Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Professor i kemiteknik Sanat Kumar og hans gruppe udførte beregningsmodeller, der afslørede, at de eksperimentelt observerede gitterstrukturer (baseret på røntgenstrålespredningsmønstrene) var de mest termodynamisk stabile, som materialets voxels kunne danne.
"Disse materielle voxels giver os mulighed for at begynde at bruge ideer afledt af atomer (og molekyler) og de krystaller, de danner, og overføre denne enorme viden og database til systemer af interesse på nanoskala," forklarede Kumar.
Gangs studerende på Columbia demonstrerede derefter, hvordan montageplatformen kunne bruges til at drive organiseringen af to forskellige slags materialer med kemiske og optiske funktioner. I et tilfælde samlede de to enzymer sammen, hvilket skabte 3-D-arrays med en høj pakningstæthed. Selvom enzymerne forblev kemisk uændrede, viste de omkring en firedobling i enzymatisk aktivitet. Disse "nanoreaktorer" kunne bruges til at manipulere kaskadereaktioner og muliggøre fremstilling af kemisk aktive materialer. Til demonstrationen af optisk materiale blandede de to forskellige farver af kvanteprikker - små nanokrystaller, der bliver brugt til at lave tv-skærme med høj farvemætning og lysstyrke. Billeder taget med et fluorescensmikroskop viste, at det dannede gitter bibeholdt farverenheden under lysets diffraktionsgrænse (bølgelængde); denne egenskab kunne give mulighed for væsentlig forbedring af opløsningen i forskellige skærm- og optiske kommunikationsteknologier.
"Vi er nødt til at genoverveje, hvordan materialer kan dannes, og hvordan de fungerer," sagde Gang. "Material redesign er muligvis ikke nødvendigt; blot at pakke eksisterende materialer på nye måder kan forbedre deres egenskaber. Potentielt kan vores platform være en muliggørende teknologi "ud over 3-D-printproduktion" til at kontrollere materialer i meget mindre skalaer og med større materialevariation og designet kompositioner ved at bruge den samme tilgang til at danne 3-D gitter fra ønskede nano-objekter af forskellige materialeklasser, der integrerer dem, der ellers ville blive overvejet. inkompatibel, kunne revolutionere nanofremstilling."
Materialer leveret af DOE/Brookhaven National Laboratory. Bemærk: Indholdet kan redigeres for stil og længde.
Få de seneste videnskabsnyheder med ScienceDailys gratis e-mail-nyhedsbreve, der opdateres dagligt og ugentligt. Eller se opdaterede nyhedsfeeds hver time i din RSS-læser:
Fortæl os, hvad du synes om ScienceDaily -- vi glæder os over både positive og negative kommentarer. Har du problemer med at bruge siden? Spørgsmål?
Indlægstid: 14-jan-2020